JP5114640B2 - 水銀高圧放電灯 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも一部の領域がタングステン成分を含む材料から成るアノードを備えた水銀高圧放電灯に関する。

従来の技術
水銀高圧放電灯ではアノードの電極衝撃から加熱にいたる。これによりアノード材料が気化し、ランプの放電管の内側に堆積する。このようにして内側に生じた付着物は管の曇りまたは黒化として知覚され、発生するアークの減衰や利用可能な光束の低下を引き起こす。当該の効果は放電灯の耐用期間が経過していくうちに増悪する。放電灯の耐用期間が進行するにつれて、アノード材料からの気化により、光束は低下してしまう。

アノード材料の気化のほか、高圧放電灯には、ユーザの利用する光の低下をもたらす現象も存在する。こうした現象として、カソードの焼きもどしやカソード平面の拡大が挙げられる。約１ｍｇ／ｃｍ^３〜８ｍｇ／ｃｍ^３の水銀の充填量を有する水銀高圧放電灯では、アノード材料の気化はデグラデーションの重大な原因であり、ランプの耐用特性に大きく影響する。

水銀高圧放電灯が高い希ガス充填圧、特に３ｂａｒより高い冷間圧を有すると、アノード材料の気化が強まる。充填される希ガス、典型的にはアルゴン、クリプトンまたはこれらとキセノンとの混合物はアークの幅を低減させる作用を有する。当該の放電灯を光学装置で使用する場合、希ガスの作用により利用可能な光が増大され、光学装置が高い光強度を有するようになる。こうした光学装置はいわゆる高輝度ランプと称される。高い希ガス圧によってアノードに強い負荷がかかり、所定の駆動条件のもとではアノード面の摩耗も発生する。そのことによりアノード材料の気化がいっそう強まる。

通常は、水銀高圧放電灯は直流電流の一定の電力によって駆動される。ただし、電力を周期的に変調したほうが有利な適用分野も存在する。ただし、このようにすると、アノード材料の気化が強まり、光の低下の度合が大きくなってしまう。

実際にアノード材料の気化を低下させるにはアノード温度を低下させる必要があり、これはアノードのエネルギ放射の増大によって達成される。これには２つの技術が利用される。第１の技術はアノード面積ないしアノード寸法を拡大することである。特にアノードの径を増大すると有利である。これに比べると、アノードの長さを延長することは効果が小さい。公知の放電灯では、一般に、ランプ出力が大きくなるにつれてアノードの径も大きくなる。第２の技術は、アノードをコーティングしたりパターニングしたりして、透過性を増大することである。コーティング材料として例えば粗いタングステンまたは樹状のレニウムが用いられる。

高い希ガス充填圧を有する水銀高圧放電灯では、希ガスの種類とランプジオメトリとに基づく冷間圧の所定の値を超えると、前述した２つの技術を用いてもアノード材料の気化速度が実用上要求される許容値まで低下しないという問題が発生する。この場合、希ガス充填圧を低下させなければならない。しかし、希ガス充填圧を低下させるとアークの狭窄化の効果が低下し、光学装置においてランプを使用する場合に光強度の低下が知覚されてしまう。選択的に電力やランプ電流を低減することもできるが、これらの手段もランプの光強度の低下をまねく。

従来技術から、融剤を備えたタングステンから成るアノードを備えた放電灯が公知である。融剤は例えばカリウムであり、その成分は１５ｐｐｍ〜３００ｐｐｍである。こうした構成は独国特許第３０３６７４６号明細書から公知である。

さらに独国公開第１９８５２７０３号明細書から、カリウムのドープされたタングステンまたは合金から成るアノードを備えた放電灯が公知である。ドープ物質の濃度は１００ｐｐｍよりも小さい。

さらに、独国公開第１９７３８５７４号明細書から、円筒状のベースボディを有するアノードを備えた放電灯が公知である。このアノードの円筒状のベースボディは円錐状の先端部を含み、この先端部は主として半径方向の変形によって成形されている。当該の先端部の粒子数および密度は、シャフト部の粒子数および密度に比べて典型的には係数２以上異なる。

発明の開示
本発明の課題は、駆動中の電極材料の気化を低減できる水銀高圧放電灯を提供することである。

この課題は請求項１に記載された特徴を有する水銀高圧放電灯によって解決される。

本発明の水銀高圧放電灯では、アノードの少なくとも一部の領域がタングステン成分を含む材料から成り、当該のアノードの材料が２００個／ｍｍ^２よりも大きい粒子数と１９．０５ｇ／ｃｍ^３より大きい密度とを有する。これにより、電極材料の気化のいちじるしい低下が達成される。前述した利点は、直流電流動作に対して１．５ｋＷより大きい定格出力を有し、放電管内のアノードの径が２５ｍｍ〜７０ｍｍであり、放電管内の充填ガスが０．５ｍｇ／ｃｍ^３〜７ｍｇ／ｃｍ^３の充填量の水銀と０．８ｂａｒより大きい冷間圧の少なくとも１つの希ガスとを含む水銀高圧放電灯において、アノード材料が２００個／ｍｍ^２よりも大きい粒子数と１９．０５ｇ／ｃｍ^３より大きい密度とを有することにより達成される。ただし、２つのパラメータのうち一方の範囲しか満たされない場合には、双方の範囲が満たされる場合に比べて、得られる効果が小さくなる。

本発明の水銀高圧放電灯の実施例を示す図である。 アノードの第１の実施例を示す図である。 アノードの第２の実施例を示す図である。 第１のランプパラメータを有する水銀高圧放電灯の相対光強度と駆動時間との関係を示すグラフである。 第２のランプパラメータを有する水銀高圧放電灯の相対光強度と駆動時間との関係を示すグラフである。

アノードの径とはアノードの最大径である。通常のごとくアノードが円筒状部分とこれに続く円錐状部分とを有する場合、円筒状部分の径がアノードの径となる。

現在知られているところによれば、アークにより熱ストレスが引き起こされ、直流電流動作を行うランプではアノード平面に反りが生じてしまう。この場合、アークは当該の反りの個所に滞留し、そのために局所的なオーバーヒートが発生する。これが進行すると、局所的にタングステンの融点３４００℃を超える温度に達することさえある。その場合タングステンが過剰に気化して放電管が黒化し、光束のいちじるしい低下が発生する。

有利には、アノード材料の密度は１９．１５ｇ／ｃｍ^３以上となる。

有利には、アノード材料の粒子数は３５０個／ｍｍ^２以上となる。こうした構成により、気化特性をさらに低下させることができる。

ランプを駆動する前のアノードの粒子数はＡＳＴＭ Ｅ１１２による平均的粒子数として定義される。ランプが使用されていくうちに構造が粗雑化し、アノードが局所的に粗い粒子を有するようになることもある。

粒子の粗雑化を低減するため、有利には、材料にカリウムがドープされる。カリウム成分は最大で１００μｇ／ｇであり、ふつう５０ｐｐｍより小さく、有利には８ｐｐｍ〜４５ｐｐｍである。特に有利には、カリウム成分は１０ｐｐｍ〜４０ｐｐｍである。

アノードは有利には少なくとも部分的に円筒状に形成される。アノードの先端側は有利には円錐状に形成される。ただしアノードがこれとは異なる幾何学的形状を有していてもよい。

アノードの円筒状部分は２８ｍｍより大きい径を有し、有利には３０ｍｍ以上の径を有する。特に有利には、円筒状部分の径は３４ｍｍ以上である。これにより、当該の部分での電極材料の気化のいちじるしい低下が達成される。アノードの機能については材料の気化が問題となるが、これは本発明の構成によりいちじるしく低減される。

本発明の水銀高圧放電灯は０．５ｍｇ／ｃｍ^３〜７ｍｇ／ｃｍ^３の水銀充填量を有する。特に、水銀の充填量が１ｍｇ／ｃｍ^３〜３ｍｇ／ｃｍ^３であると、気化がいちじるしく低減される。また、水銀高圧放電灯が一定の電力で駆動される場合、希ガス冷間圧は３．５ｂａｒより大きく、有利には４ｂａｒ以上である。水銀高圧放電灯が変調された電力で駆動される場合、希ガス冷間圧は０．８ｂａｒより大きく、有利には１．５ｂａｒより大きい。本発明の希ガス冷間圧およびアノードの構成は電極材料の気化防止に特に有利である。

希ガスの種類として、有利には、キセノン、アルゴン、クリプトンまたはこれらの希ガスの混合物が用いられる。

電極材料、特にアノード材料の気化防止のために、１．５ｋＷより大きい定格出力が必要であり、有利には定格出力４ｋＷ、特に有利には約５ｋＷより大きい定格出力を有するランプが用いられる。電極材料の気化の低減は、電極表面の性質に関係なく、つまりパターンやコーティングの状態に関係なく、達成される。

電極の最終的な成形は打撃加工、切削加工、フライス加工、水洗浄および加熱洗浄により行われる。さらに、電極の平面は軸線方向で鍛造されることもある。

本発明により、少なくとも部分的に前述した材料から成るアノードを備えた水銀高圧放電灯が形成され、従来のタングステン材料から成るアノードを備えた水銀高圧放電灯に比べて、光束の低下が著しく緩和される。これは特に高い希ガス充填圧での駆動または周期的な変調電力での駆動の際に有利である。

有利には、本発明の電極の製造方法は公知のタングステン材料を有する電極に比べて特に変更する必要はない。

以下に本発明を図示の実施例に則して詳細に説明する。

本発明の有利な実施例
図中、同じ構成要素または同じ作用をする構成要素にはそれぞれ同じ参照符号を付してある。

図１には水銀高圧放電灯として構成された放電灯１の概略図が示されている。この高圧放電灯は放電管２を有しており、その内室２１にはカソード３およびアノード４が延在している。アノード４は、図２，図３に示されているように、ほぼ円筒状に構成されている。

図２には、約３５ｍｍの径ｄ１を有する第１のアノード４が示されている。軸線Ａの方向の長さは約６５ｍｍである。相応に、図３には約３５ｍｍの径ｄ２を有する第２のアノード４’が示されている。第１のアノード４と同様に、第２のアノード４’も軸線Ｂの方向に長さ約６５ｍｍにわたって延在している。

図２に示されている第１の構成では、アノード４の前側、つまりカソード３に近い側が先細となるように円錐状に構成されている。円錐状部分は長さｌ１にわたって延在している。図３の第２のアノード４’の前側にも円錐状部分が構成されているが、こちらは長さｌ１よりも小さな長さｌ２を有している。

図２，図３の構成では、第１のアノード４および第２のアノード４’は図１の放電灯１内に配置されている。

当該の実施例では、放電灯１に配置されたアノード４がタングステン材料から成り、このタングステン材料の粒子数は３５０個／ｍｍ^２である。有利には、アノード材料の密度は１９．１５ｇ／ｃｍ^３以上となる。さらに、第１のアノード４の材料にはカリウムがドープされており、そのカリウム成分は１０ｐｐｍ〜４０ｐｐｍである。

放電灯は直流電流によって駆動され、放電灯の定格出力は５ｋＷ以上である。水銀充填量は０．５ｍｇ／ｃｍ^３〜５ｍｇ／ｃｍ^３である。有利には水銀充填量は１ｍｇ／ｃｍ^３〜３ｍｇ／ｃｍ^３である。内室２１の希ガス冷間圧は、水銀高圧放電灯が一定電力で駆動される場合、４ｂａｒより大きい。水銀高圧放電灯が変調電力で駆動される場合には、希ガス冷間圧は１．５ｂａｒ以上となる。電力の変調は１５％までの振幅および０．５Ｈｚ〜５Ｈｚの周波数で行われる。

この実施例では、第１のアノード４はドープされたタングステン材料から均一に前述した密度および前述した粒子数で構成される。ただし、アノード４の唯一の部分領域をこうした材料から構成することができる。このように、アノード４は複数の部分から構成することもできる。特に有利には、アノード４のうち少なくともカソード３に近い円錐状領域ないしさらにその一部がタングステン材料から成り、前述した粒子数および相応の密度および／または相応のカリウムドープ濃度を有する。同様に、アノード４，４’のうち、軸線Ａ，Ｂにセンタリングされたピン状の部分領域のみを前述した材料で構成することもできる。

図４には、放電灯１の相対光強度と駆動時間との関係が示されている。ここで放電灯１のパラメータは希ガスであるクリプトンの冷間圧である。放電灯１は５．５ｋＷの一定の電力で駆動される。このグラフでは、本発明のアノードを備えた放電灯の光束特性が実線の曲線Ｉで示されている。これに対して、従来のアノードを備えた放電灯の光束特性は破線の曲線ＩＩで示されている。

図５には、別のケースでの放電灯１の相対光強度と駆動時間との関係が示されている。ここでは、充填される希ガスとしてキセノンクリプトン混合物が用いられており、ランプパラメータである希ガス冷間圧は１．９ｂａｒとなっている。この場合、放電灯は４．５ｋＷ〜５ｋＷのあいだで周期的に変調される電力によって駆動される。図５には、本発明のアノードを備えた放電灯の光束特性が実線の曲線ＩＩＩで示されており、従来のアノードを備えた放電灯の光束特性が破線の曲線ＩＶで示されている。

図４，図５から、本発明のアノードにより、耐用期間が進行していくなかでもいちじるしく高い光強度が達成されることがわかる。公知の放電灯では特性曲線ＩＩ，ＩＶに示されているように駆動時間が増大するにつれて光強度が低下するが、本発明の放電灯ではほとんど低下しない。

Claims (11)

1. 直流電流動作に対して１．５ｋＷより大きい定格出力を有し、
   充填ガスを封入した放電管内にアノードおよびカソードが配置されており、
   前記アノードの径は２５ｍｍ〜７０ｍｍであり、前記アノードの少なくとも一部の領域は少なくともタングステン成分を含む材料から成り、
   前記充填ガスは０．５ｍｇ／ｃｍ^３〜７ｍｇ／ｃｍ^３の充填量の水銀と０．８ｂａｒより大きい冷間圧の少なくとも１つの希ガスとを含む、
   水銀高圧放電灯において、
   前記アノードの材料は２００個／ｍｍ^２よりも大きい粒子数と１９．０５ｇ／ｃｍ^３より大きい密度とを有する
   ことを特徴とする水銀高圧放電灯。
2. 前記アノードの材料は３５０個／ｍｍ^２以上の粒子数を有する、請求項１記載の水銀高圧放電灯。
3. 前記アノードの材料は１９．１５ｇ／ｃｍ^３以上の密度を有する、請求項１または２記載の水銀高圧放電灯。
4. 前記アノードの材料には最大で１００μｇ／ｇのカリウム成分がドープされている、請求項１から３までのいずれか１項記載の水銀高圧放電灯。
5. 前記カリウム成分の濃度は１０ｐｐｍ〜４０ｐｐｍである、請求項４記載の水銀高圧放電灯。
6. 前記アノードの少なくとも一部の領域は円筒状に形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の水銀高圧放電灯。
7. 前記円筒状の領域の径は３４ｍｍ以上である、請求項６記載の水銀高圧放電灯。
8. 前記水銀の充填量は１ｍｇ／ｃｍ^３〜３ｍｇ／ｃｍ^３である、請求項１から７までのいずれか１項記載の水銀高圧放電灯。
9. 一定の電力によってランプが駆動される場合、前記希ガスの冷間圧は４ｂａｒ以上である、請求項１から８までのいずれか１項記載の水銀高圧放電灯。
10. 変調電力によってランプが駆動される場合、前記希ガスの冷間圧は１．５ｂａｒ以上である、請求項１から８までのいずれか１項記載の水銀高圧放電灯。
11. ランプの定格出力は５ｋＷ以上である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の水銀高圧放電灯。

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